数字视频图像技术 压缩标准

1、6.6 压缩标准6.6.1 压缩标准简介6.6.2 连续调图像压缩标准6.6.3 二值图像压缩标准6.6.1 压缩标准简介v制定图像标准的国际组织： ISO（国际标准化组织）CCITT（国际电报电话咨询委员会）联合组织下进行制定的v标准的类型（三类）： (1) 二值图像压缩标准：面向传真而设计连续调图像压缩标准：(2) 静止帧黑白、彩色压缩：面向静止的单幅图像(3) 连续帧黑白、彩色压缩：面向连续的视频影像6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v连续调图像压缩标准静止帧黑白、彩色压缩（JPEG）连续帧单色、彩色压缩（MPEG）6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩静止帧黑白、彩色压缩（JPEG）v

2、JPEG标准简述vJPEG压缩流程vJPEG压缩算法的实现颜色变换零偏置转换频域变换系数量化符号编码vJPEG压缩举例6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩JPEG标准简述有三种压缩系统：（1）基线编码系统：面向大多数有损压缩的应用， 采用DCT变换压缩。（2）扩展编码系统：面向递进式应用，从低分辨 率到高分辨率逐步递进传递的应用（3）独立编码系统：面向无损压缩的应用，采用无损 预测压缩，符号编码采用哈夫曼或算术编码一个产品或系统必须包括对基线系统的支持6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩JPEG压缩流程6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v构造子图像子图像尺寸：8 x 8v颜色空间转换 人眼对

3、亮度更敏感，提取亮度特征，将RGB转换为YCbCr模型，编码时对亮度采用特殊编码：Y = 0.299R + 0.5870G + 0.1140BCb = 0.1787R 0.3313G +0.5000B +128Cr = 0.5000R 0.4187G 0.0813B + 128颜色解码：R = Y + 1.40200(Cr 128)G = Y 0.34414(Cb 128) 0.71414(Cr 128)B = Y + 1.77200(Cb 128)6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v零偏置转换对于灰度级是2n的像素，通过减去2n-1，替换像素本身对于n=8，即将0255的值域，通过减去12

4、8，转换为值域在-128127之间的值目的：使像素的绝对值出现3位10进制的概率大大减少6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩 用8x8的JEPG基线标准，压缩并重构下列子图525561667061647363596690109856972625968113144104667363587112215410670696761681041268868707965607077685875857164595561658387796968657678946.6.2 压缩标准:连续调图像压缩0偏置转换后-76-73-67-62-58-67-64-55-65-69-62-38-19-43-59-56-66-6

5、9-60-1516-24-62-55-65-70-57-626-22-58-59-61-67-60-24-2-40-60-58-49-63-68-58-51-65-70-53-43-57-64-69-73-67-63-45-41-49-59-60-63-52-50-346.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v频域变换频域变换产生64个系数第一个系数称为直流系数（DC系数）1.其余的63个系数称为交流系数（AC系数）6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩正向DCT变换（N = 8）后变成-415-29-62 25 55-20-1 3 7-21-62 9 11-7-6 6-46 8 77-25-30

6、10 7-5-50 13 35-15-9 6 0 3 11-8-13-2-1 1-4 1-10 1 3-3-1 0 2-1-4-1 2-1 2-3 1-2-1-1-1-2-1-1 0-16.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v系数量化采用阈值作为子图系数位置函数的量化方式 所有子图使用同一个全局阈值模板，但阈值的取值，与系数的位置相关，阈值模板给出了，不同位置上系数的相应阈值。对于亮度和颜色使用不同的量化阈值模板，并取整6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v系数量化1）正向量化：Squv = round(Suv / Quv) 其中： Suv是DCT系数， Quv量化模板系数2）逆向量化：Ruv

7、= Squv Quv例：Sq(0,0) = round-415/16 = round-25.9=-26 Ruv(0,0) = -26 * 16 = -4166.6.2 压缩标准:连续调图像压缩 亮度的量化模板系数16 111016244051611212141926586055141316244057695614172229518780621822375668109103772435556481104113924964788710312112010172929598112100103996.6.2 压缩标准:连续调图像压缩 颜色的量化模板系数17 18244799999999182126669

8、99999992426569999999999476699999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999996.6.2 压缩标准:连续调图像压缩量化变换后的数组，比例化并消去系数-26-3-6 2 2000 1-2-4 0 0000-3 1 5-1-1000-4 1 2-1 0000 1 0 0 0 0000 0 0 0 0 0000 0 0 0 0 0000 0 0 0 0 00006.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v符号编码将量化后的系数，按之字形重新排序成矢量，全零结尾用特殊符号EOB-2

9、6 -3 1 -3 -2 -6 2 -4 1 -4 1 1 5 0 2 0 0 -1 2 0 0 0 0 0 -1 -1 EOBDC和AC用不同的方式分别编码DC的编码方式（预测+统计） ：编码由两部分组成：区间号编码(SSSS) + 系数预测误差本身编码(VVVV)6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩DC的编码方式（预测+统计）v第一步：求DPCM (差分脉冲调制码)，用当前的DC，减去前一个子图的DC VVVV ：DIFF = DC PRE_DCv第二步：根据DIFF求出区间号： SSSS 通过DIFF查区间编号表得出区间号SSSS根据SSSS查哈夫曼编码表得出SSSS的哈夫曼编码v第三步

10、：对VVVV编码，正数是自己，负数用补码（求反）6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩DC的编码方式（预测+统计）区间表 范围 DC差区间 AC区间 0 0 N/A -1，1 1 1 -3，-2，2，3 2 2 -7,-4，4,7 3 3 -15,-8，8,15 4 4 -31,-16，16,31 5 5 -63,-32，32,63 6 66.6.2 压缩标准:连续调图像压缩DC的编码方式（预测+统计）区间DC哈夫曼编码表区间 编码 长度 区间 编码 长度 0 010 3 6 1110 10 1 011 4 7 11110 12 2 100 5 8 111110 14 3 00 5 9 1111

11、110 16 4 101 7 A 11111110 18 5 110 8 B 111111110 206.6.2 压缩标准:连续调图像压缩DC的编码方式（预测+统计）例子：DC = -26PRE_DC = -17 DIFF = -26 - （-17）= -9用-9查区间表得： SSSS = 4用4查哈夫曼编码表得：哈夫曼编码：101 VVVV = -9 二进制编码为: 1001求反: 1001 = 0110 最后的编码为: 101+0110= 1010110 长度为7位v解码时如果VVVV部分首位为0为负数PreDC-17DC-266.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v符号编码AC的编码方式编

12、码由两部分组成：区间号编码(RRRR/SSSS)+系数本身(VVVV)第一部分： SSSS： 区间号 RRRR：该系数前值为0的系数的个数。第二部分： VVVV：系数本身编码6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩AC的编码方式区间AC哈夫曼编码表行程/区间 编码 长度 行程/区间 编码 长度 0/0 1010(=EOB) 4 0/6 111000 12 0/1 00 3 0/7 1111000 14 0/2 01 4 0/8 1111110110 18 0/3 100 6 0/9 1111111110000010 0/4 1011 8 0/A 1111111110000011 0/5 11010

13、 10 1/1 1100 5 6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩AC的编码方式举例：0 7RRRR = 1查表得区间号：SSSS = 3RRRR/SSSS = 1/3 查表得: 1111001编码长度 10位VVVV = -7111 求反得: 000最后编码:11110010006.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v符号编码完成后的编码数组（重排的）是：1010110 0100 001 0100 0101 100001 0110 100011 001 100011 001 001 100101 11100110 110110 0110 11110100 000 1010其中空格是为了可阅读性

14、而插入的完成编码的重排数组的总位数是92，不压缩需要8x8x8=512位。结果的压缩率是512/92，或5.6:1。6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩连续帧单色、彩色压缩v连续帧图像的定义v连续帧图像压缩的基本思想v帧间运动补偿预测编码技术vH.261标准vMPEG1/2/4/7标准6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v连续帧图像的定义由多幅尺寸相同的静止图像组成的图像序列，被称为连续帧图像。与静止帧图像相比，连续帧图像多了一个时间轴，成为三维信号，因此连续帧图像也被称为三维图像。6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v连续帧图像压缩的基本思想基于如下基本假设：v在各连续帧之间存在简单的相关性

15、平移运动。v一个特定画面上的像素量值：1）可以根据同帧附近像素来加以预测，被称为：帧内编码技术2）可以根据附近帧中的像素来加以预测，被称为：帧间编码技术6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v连续帧图像压缩的基本思想通过减少帧间图像数据冗余，来达到减少数据量、压缩连续帧图像体积的目的将连续帧图像序列，分为参考帧和预测帧，参考帧用静止图像压缩方法进行压缩，预测帧对帧差图像进行压缩由于帧差图像的数据量大大小于参考帧的数据量，从而可以达到很高的压缩比6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v帧间运动补偿预测编码技术帧间预测编码压缩图像块输入图像块enfn fn运动补偿预测帧间误差图像运动补偿预测图像6.6

16、.2 压缩标准:连续调图像压缩v帧间运动补偿预测编码技术帧间预测编码v向前预测v双向预测前一帧前一帧当前帧当前帧前一帧前一帧当前帧当前帧下一帧下一帧6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v帧间运动补偿预测编码技术帧间预测编码vI 帧不进行预测、进行帧内编码的编码帧（参考帧）vP帧通过向前预测得到的误差编码帧vB帧通过双向预测得到的误差编码帧因图像序列存放在存储器中，可以使用下一帧6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v帧间运动补偿预测编码技术编码中的运动补偿v运动补偿概念是 以对帧间运动的估算为基础的，若物体均在空间上有一位移，那么用有限的运动参数来对帧间的运动加以描述，如对于像素的平移运动，可用

17、运动矢量来描述v一个来自前一编码帧的运动补偿预测像素，就能给出一个当前像素的最佳预测。预测误差和运动矢量一同参与编码6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v帧间运动补偿预测编码技术编码中的运动补偿v由于一些运动矢量之间的空间相关性通常较高，因此，一个像素的运动矢量，可以代表一个相邻像素块的运动v实现中，画面一般划分成一些不连接的像素块(在MPEGl和MPEG2标准中一个像素块为1616像素)，对于每一个这样的像素块，只估算一个运动矢量6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩v帧间运动补偿预测编码技术编码中的运动补偿v举例：常用的基于块的运动估算和补偿块匹配法K帧K+l 帧块查找窗口6.6.2 压缩标

18、准:连续调图像压缩H.261263标准vH.261263标准是由CCITT制定的vccitt 国际电话与电报咨询委员会，它现在被称为 itu-t （国际标准化组织电讯标准化分部），是世界上主要的制定和推广电讯设备和系统标准的国际组织.它位于瑞士的geneva.6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩H.261标准v应用范围：ISDN的视频会议v主要编码技术：DCT变换向前运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码IPPPPPPIPPP.6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩H.263标准v应用范围：可视电话v主要编码技术：DCT变换双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码IBBPBBPBBIBBP

19、 . . . .6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩MPEG1/2/4/7标准vMPEG1/2/4/7标准由ISO/IEC制定的vISO是国际标准化组织vIEC是国际电工委员会，是非政府性国际组织，是世界上成立最早的专门国际标准化机构。正式成立于1906 年。6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩MPEG1标准v应用范围：视频CD_ROM存储、视频消费v主要编码技术：DCT变换前向、双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码、算术编码每15帧至少要有一个I帧IBBPBBPBBIBBP . . . .6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩MPEG2标准v应用范围：数字电视、高质量视频、有线电视、视

20、频编辑、视频存储v主要编码技术：DCT变换前向、双向运动补偿预测Zig-zag排序霍夫曼编码、算术编码每15帧至少要有一个I帧IBBPBBPBBIBBP . . . .6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩MPEG4标准v应用范围：互联网、交互视频、移动通信v主要编码技术：DCT变换、小波变换前向、双向运动补偿预测Zig-zag排序脸部动画、背影编码霍夫曼编码、算术编码每15帧至少要有一个I帧IBBPBBPBBIBBP . . . .6.6.2 压缩标准:连续调图像压缩MPEG7标准v下节课介绍6.6.3 压缩标准：二值图像压缩v二值图像压缩标准基本思想一维压缩二维压缩CCITT Group3C

21、CITT Group46.6.3 压缩标准：二值图像压缩基本思想：v采用行程编码与静态的哈夫曼编码相结合v由于是二值图像，不用为灰度值编码。v只给行程长度编码，且黑和白的长度分别使用不同的编码。v按行压缩vCCITT Group3采用一维编码与二维编码结合vCCITT Group4采用二维编码6.6.3 压缩标准：二值图像压缩一维压缩 基本思想：1）每一行行首、尾编码v行首：用一个白行程码开始。如果行首是黑像素，则 用零长度的白00110101开始。v行尾：用行尾编码字(EOL)000000000001结束。2）图像首、尾编码v图像首行：用一个EOL开始。v图像结尾：用连续6个EOL结束。3）

22、图像内部编码v内部编码：长度小于63的用哈夫曼编码，大于63的用组合编码：大于63的长度编码 + 小于63的余长度编码6.6.3 压缩标准：二值图像压缩长度小于63的哈夫曼编码行程长度 白编码黑编码0001101010000110111100011101020111113100010410110115110000116100110010000001011010620011001100000110011063001101000000010110116.6.3 压缩标准：二值图像压缩长度大于63的组合编码 行程长度 白编码黑编码64110110000001111128100100000110010

23、00192010111000011001001256011011100000101101132000110110000000110011384001101110000001101001600010011010000000101101116640110000000001100100172801001101100000011001016.6.3 压缩标准：二值图像压缩二维压缩 1) 基本思想：v利用上一行相同改变元素的位置，来为当前行编码v假设相临两行改变元素位置相似的情况很多v且上一行改变元素距当前行改变元素的距离，小于行程的长度，从而可以降低编码长度a0b1b2a1a2参考行当前行6.6.3 压缩标准：二值图像压缩2) 定义几个重要符号：参 考 行：当前处理行的前一行。改变元素：与前一个像素值不同的像素参考元素：一共有5个（当前行3个，参考行2个）：va0：当前处理行上，与前一个像素值不同的像素。 行首元素是本行的第一个a0va1：a0右边下一个改变元素。va2：a1右边下一个改变元素。vb1：参考行上在a0右边，且与a0值相反的改变元素1.b2： b1右边下一个改变元素。a0b1b2a1a2参考行当前行6.6.3 压缩标准：二值图像压缩3) 编码方法：对三种情况的三种编码方式：（1）通过编码方式：v条件：b2在a1的左边，排除参考行两个改变元素都在 a1左边的情况v编码：0